模型预测控制优化配水

市政配水系统采用PlantPAx嵌入式MPC,消除了21%的主水管破裂。

寒冬和压力峰值增加了市政配水系统的水管爆炸数量。虽然对大多数城镇而言,慢性主水管破裂是不可避免的职业危害,但安大略省温莎市的工程师和运营商已经找到了方法来大幅减少这些昂贵且耗时的事故,解决方案是使用即将面世的罗克韦尔自动化的PlantPAx嵌入式MPC(模型预测控制)技术。

 “寒冬加大了地面的冻结深度,这增加了泵的压力,产生的压力变化最终引发主水管破裂,”EnWin(其为温莎公用事业公司的配水系统提供管理、维护服务和员工)的水生产主管Garry Rossi说,“我们决定研究MPC,因为我们白白浪费了17%的水。这是加拿大最高的非收入水比率,在我们升级项目前的第三年该比率甚至达到过24%。与浪费水造成的损失一同出现的是我们的电费平均每年递增5%至6%。”

该城市从底特律河中获取水,并以每天9200万加仑的速度分配给居住在温莎及相邻的拉萨尔和特库姆塞社区的约28万居民。该公用事业公司还有3100万加仑的水库蓄水,两座处理厂,三座泵站,两个高架储罐,同时经营长690英里、平均泵压力为66psi的主水管。这些管道的平均年龄为44年,但有些达到80年;它们的年龄和矿物地基使其很脆弱、容易破裂。Rossi说温莎每年经历约238次主水管破裂,据Rossi称这一数字仅次于多伦多。

为了减少破裂和封堵泄漏,Rossi称EnWin公司在过去四年中安装了17座压力控制站,并将数据传送回完全冗余SCADA系统,该系统也安装于2010年。整个系统通过光纤环网连接。该公用事业公司还安装了两个可变频率驱动(VFD),其中一个位于其第二大抽水设施。

“我们开始研究MPC可以为我们做什么,因为我们的十家运营商都能生产优质产品,他们的运营方式都略有不同,而这些细微差异导致效率低下,”Rossi说。“我们的操作员比以前少,但监测的参数却远远超过以前,而且许多参数可以相互影响。例如,流速可以直接影响化学要求和浊度。我们也进行了大量培训,设计了大量工序,但我们之前的PID算法每次只能关注一个输入和输出。”

为了检查和分析多个参数和变量,EnWin公司开始为自己的MPC项目研发最终模型,这可以使控制器预估未来要求的性能并及早调整设定点。“PID回路监测设定点的偏差,但只能处理一个输入和输出,”Scott解释说。“用户告诉MPC他们需要保持的目标状态,然后MPC的控制器将设定点调低到DCS。这意味着MPC可以监测所有相关的输入和输出,并在整个系统开始运行之前调整回目标状态。”

因此,EnWin公司很快在温莎配水系统中采用PlantPAx嵌入式MPC来调整限制,然后消除和减少之前的慢性压力峰值。

Rossi称温莎的一个水塔过去手动操作时运行压力在62至74psi,12psi的压力范围比较大。然而,在第一阶段升级中加入了VFD,同时集成了压力站与泵站之间数据流,这些措施将压力变化降到5psi。此外,在第二阶段实施MPC使VFD能实际抑制开启阀门以及启动与停止泵的影响,这进一步将压力变化降到1psi。这就是温莎能大幅减少主水管破裂的主要原因。

“与过去八年相比,2014年的一至三月我们减少了18%的主水管破裂,尽管2014年几乎比过去八年更冷,”罗西补充道。

Rossi说EnWin公司在未来将利用0.1–psi灵敏度的传感器来生产更好的设定点,获取更高的收益;目前的传感器灵敏度只有0.4–psi。同时,温莎会为其最大的抽水站添加VFD,还可能在其水库采用MPC。

“这将使我们能以稳定状态进行生产,进一步提高我们的化学与电效率,”Rossi补充道。“到目前为止,更好的压力控制已经为我们节省了28%的化学制品和电力成本,折合12.5万美元。我们总共减少了29%的水压标准差,这又为我们节省了12.5万美元。其结果是整个项目的投资回报期不到一年。”

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